ES2299191T3 - Sensor electroquimico. - Google Patents
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Abstract
LA INVENCION SE REFIERE A UN SENSOR ELECTROQUIMICO PARA DETERMINAR UNA CONCENTRACION DE GAS CON UN ELEMENTO ELECTROQUIMICO, QUE CONSTA DE UNA CELULA DE BOMBEO ELECTROQUIMICO CON UN PRIMER Y UN SEGUNDO ELECTRODO Y CON UN VOLUMEN DONDE EL GAS ENTRA POR UNA ABERTURA DE PASO EN LA QUE SE DISPONE UNO DE LOS DOS ELECTRODOS. LA ABERTURA DE PASO DEL GAS (11) ESTA CUBIERTA CON UNA TAPA POROSA (24). LA INVENCION SE REFIERE ADEMAS A UN PROCEDIMIENTO PARA FABRICAR UN SENSOR ELECTROQUIMICO COMO EL DESCRITO.
Description
Sensor electroquímico.
La invención se refiere a un procedimiento para
producir un sensor electroquímico, con las particularidades citadas
en el preámbulo de la reivindicación 1.
Se conocen sensores electroquímicos de la clase
según el género expuesto. Estos sensores electroquímicos comprenden
un elemento electroquímico, que presenta una celda de bombeo
electroquímica con un primer cuerpo electrolítico sólido, con
preferencia planar, y un primer y un segundo electrodo con
preferencia porosos. Estos sensores comprenden asimismo una celda
sensora electroquímica unida a la celda de bombeo, con un segundo
cuerpo electrolítico sólido con preferencia planar y un tercer y
cuarto electrodo con preferencia porosos, así como un dispositivo
resistente a la difusión abrazado por los dos cuerpos electrolíticos
sólidos, unido a la cámara de gas de medición a través de una
abertura de admisión de gas y un canal de admisión de gas, es decir,
situado en un hueco interior. El dispositivo resistente a la
difusión puede contener un relleno poroso. El gas de medición llega
a través de la abertura de admisión de gas y del canal de admisión
de gas hasta el hueco interior, en donde el primer y el segundo
electrodo de la celda de bombeo actúan de forma reguladora sobre la
admisión del gas de medición en el hueco y, de este modo, aprontan
una presión parcial controlada de los componentes gaseosos a medir.
El suministro de tensión de la celda de bombeo electroquímica es
asumido por un dispositivo aplicado por fuera del elemento
electroquímico.
A causa de las diferentes presiones parciales
del gas en el dispositivo resistente a la difusión así como una
cámara de gas de referencia, dispuesta por ejemplo en el segundo
cuerpo electrolítico sólido, se ajusta una diferencia de potencial
electroquímica entre los electrodos del segundo cuerpo electrolítico
sólido, que es detectada por un dispositivo de medición de tensión
situado por fuera del elemento electroquímico.
También es conocido dotar el sensor
electroquímico de una calefacción eléctrica, que caliente tanto la
celda de bombeo electoquímica como la celda sensora electroquímica,
para garantizar una temperatura de funcionamiento adecuada del
sensor electroquímico.
En la estructura del sensor electroquímico
conocida en el estado de la técnica existe el inconveniente de que
pueden llegar al hueco interior porciones líquidas contenidas en el
gas de medición, por ejemplo gotas de gasolina en el gas de escape
de un motor de combustión interna, y porciones sólidas, por ejemplo
partículas de hollín, a través de la abertura de admisión de gas
del sensor electroquímico, y perturban el funcionamiento del sensor
electroquímico durante un periodo de tiempo prolongado. El valor de
medición determinado mediante el sensor electroquímico puede
adulterarse a causa de un gas de escape enriquecido con gasolina
(gas de escape "graso"). En el caso de obstruirse el orificio
de admisión de gas puede incluso destruirse el funcionamiento del
sensor electroquímico.
Del documento US 5,507,937 se conoce un sensor
electroquímico para determinar una concentración de gas de un gas
de medición. El sensor contiene un elemento electroquímico que
contiene una celda de bombeo electroquímica con un primer y un
segundo electrodo y una cámara de gas, que está unida al gas de
medición a través de una abertura de admisión de gas y en la que
está dispuesto uno de los dos electrodos.
Del documento US 5,419,828 se conoce asimismo un
sensor electroquímico con una celda de medición, en donde el
elemento sensor está cubierto por una cubierta porosa.
La invención se refiere a un procedimiento para
producir un sensor electroquímico para determinar una concentración
de gas, por ejemplo una concentración de oxígeno, de un gas de
medición. El sensor presenta un elemento electroquímico que
comprende una celda de bombeo con un primer y un segundo electrodo y
con una cámara de gas, en donde la cámara de gas está unida al gas
de medición a través de una abertura de admisión de gas, y en donde
en la cámara de gas está dispuesto uno de los dos electrodos. La
abertura de admisión de gas está cubierta con una cubierta
porosa.
La invención ofrece la ventaja de que se impide
la entrada de porciones líquidas y sólidas, que están contenidas en
el gas de medición, en el interior del sensor, es decir, el hueco
interior designado como cámara de gas. Esto se produce por medio de
que se aplica una capa porosa como cubierta de la abertura de
admisión de gas sobre la superficie, vuelta hacia la cámara de gas
de medición, del elemento electroquímico.
Esta cubierta es permeable al gas de medición,
pero representa una barrera para las porciones líquidas y sólidas
contenidas en el gas de medición. El líquido introducido, retenido
en esta cubierta, por ejemplo gasolina, se vaporiza rápidamente
después de conectar una calefacción a prever de forma ventajosa, de
tal modo que sólo es necesario expulsar vapor de gasolina desde el
interior del sensor electroquímico a través del gas bombeado
constantemente mediante la celda de bombeo electroquímica, por
ejemplo oxígeno.
La invención pone a disposición un procedimiento
para producir un sensor electroquímico de este tipo, en el que
primero se practica la abertura de admisión de gas y a continuación
se cierra mediante una capa de cobertura. Sobre esta capa de
cobertura adicional se aplica por último la cubierta porosa. De este
modo se garantiza de forma ventajosa que mediante la aplicación de
una cubierta porosa no se limiten las características de porosidad
y con ello la capacidad de funcionamiento del sensor
electroquímico.
La capa de cubierta puede ser en sí misma
porosa, es decir, permeable al gas de medición. De forma ventajosa
se utilizan para la capa de cubierta, sin embargo, materiales que
combustionan sin residuos mediante tratamiento térmico o materiales
que forman poros. En el segundo caso permanece, después del acabado
del sensor electroquímico conforme a la invención, con preferencia
después de un sinterizado, una membrana de protección porosa
adicional. Son adecuados por ejemplo cera, hollín, grafito o
metilxantina como teobromina, teofilina o cafeína. La capa de
cubierta se aplica mediante una tecnología de transferencia,
mientras que la cubierta porosa se aplica con preferencia mediante
serigrafía.
Otra configuración ventajosa de la invención
prevé que se disponga de una cavidad, en un canal de admisión de
gas dotado ventajosa y parcialmente de un relleno poroso, es decir,
entre la cubierta aplicada sobre la abertura de admisión de gas y
un relleno poroso situado ventajosamente en el hueco interior. La
cavidad impide una transmisión capilar de la gasolina líquida desde
la cubierta conforme a la invención al relleno poroso interior.
Esta cavidad, que representa conforme a ello una separación entre la
cubierta porosa y el relleno poroso situado en el hueco interior,
puede estar formada con preferencia por medio de que durante el
sinterizado se requema material sublimable. La cubierta sobre la
abertura de admisión de gas está formada con preferencia con un
material poroso, que puede ser la continuación de una capa de
protección porosa, que cubre toda la superficie del elemento
electroquímico vuelto hacia la cámara de gas de medición.
Mediante el procedimiento conforme a la
invención pueden producirse sensores de dos celdas (sensores de
banda ancha) a partir de una celda de bombeo, que comprende un
primer cuerpo electrolítico sólido, y una celda de concentración
que comprende un segundo cuerpo electrolítico.
Se obtienen configuraciones ventajosas
adicionales de la invención de las reivindicaciones
subordinadas.
A continuación se explica la invención con más
detalle, con base en un ejemplo de ejecución y en el dibujo
correspondiente. Aquí muestran
la figura 1 una representación en corte
esquemática de un sensor electroquímico conforme a la invención;
la figura 2 una representación en corte
esquemática correspondiente a la figura 1 de un cuerpo previo
durante la producción.
La figura 1 muestra en una sección transversal
un sensor electroquímico 1, que comprende un elemento electroquímico
2, un dispositivo de alimentación de tensión 4 así como un aparato
de medición de tensión 6. El elemento electroquímico 2 presenta una
celda de bombeo electroquímica 3, que está estructurada con un
primer cuerpo electrolítico sólido 5 planar, un primer electrodo
poroso 7 y un segundo electrodo poroso 9. El elemento electroquímico
2 presenta asimismo una celda sensora electroquímica, llamada a
partir de ahora celda de Nernst 27, que está estructurada con el
segundo cuerpo electrolítico sólido 29 así como un tercer electrodo
31 y un cuarto electrodo 33. La celda de bombeo electroquímica 3 se
alimenta con tensión en el primer y el segundo electrodo 7, 9
mediante el dispositivo de alimentación de tensión externo 4. El
primer y el segundo cuerpo electrolítico sólido 5, 29 están unidos
entre sí y abrazan un hueco interior 15 designado también como
cámara de gas 17. El hueco interior 15 está completamente relleno
de un material poroso 19 y contiene el segundo y tercer electrodos
9, 31. El hueco interior 15 está unido al gas de medición 13 a
través de un canal de admisión de gas 10 y una abertura de admisión
de gas 11. A través de la abertura de admisión de gas 11 se aplica
una cubierta porosa 24, que forma parte de una capa de protección
porosa 24, que cubre una superficie 8 del primer cuerpo
electrolítico sólido 5 vuelta hacia el gas de medición 13 y, de
este modo, también el primer electrodo 7 de la celda de bombeo
electroquímica 3. Entre la cubierta porosa 24 y la abertura de
admisión de gas 11 se encuentra una membrana de protección porosa
34 adicional. El segundo cuerpo electrolítico sólido 29 presenta una
cámara de gas de referencia 21. En la cámara de gas de referencia
21 está aplicado el cuarto electrodo 33, que está expuesto a un gas
de comparación.
El gas de medición 13 llega, a través de la
abertura de admisión de gas 11 y del canal de admisión de gas 10,
hasta el hueco interno 15, en donde se ajusta una presión parcial
controlada mediante una tensión de bomba, aplicada al primer y
segundo electrodo 7, 9 de la celda de bombeo 3, mediante el llenado
o el vaciado con bomba de oxígeno. El suministro de tensión de la
celda de bombeo electrodinámica 3 es asumido por un dispositivo de
suministro de tensión, aplicado por fuera del elemento
electroquímico 2.
A causa de las diferentes presiones de
partículas gaseosa en la cámara de gas 17 así como en la cámara de
gas de referencia 21, dispuesta en el segundo cuerpo electrolítico
sólido 29, se ajusta una diferencia de potencial electroquímica
entre el tercer y el cuarto electrodos 31, 33 del segundo cuerpo
electrolítico sólido 29, que es recogido mediante un aparato de
medición de tensión 6 situado por fuera del elemento
electroquímico.
La cubierta 24 conforme a la invención y la
cavidad 25 situada por debajo impiden la entrada de porciones
líquidas y sólidas contenidas en el gas de medición, por ejemplo
gasolina o partículas de hollín, en la cámara de gas 17 a través de
la abertura de admisión de gas 11 y del canal de admisión de gas 10.
La cubierta 24 está ejecutada como una parte de una capa de
protección 23 porosa, que está aplicada al menos en parte a la
superficie 8 vuelta hacia el gas de medición 13 del primer cuerpo
electrolítico sólido 5. Esta capa de protección porosa 23 es
permeable al gas de medición 13, pero representa una barrera para
porciones líquidas y sólidas contenidas en el gas de medición 13.
La cavidad 25 situada debajo de la cubierta 24 impide un transmisión
capilar de la gasolina, a través del canal de admisión de gas 10,
hasta el hueco interior 15 o la cámara de gas 17. La gasolina
introducida, retenida en la cubierta 24, se vaporiza rápidamente
después de conectar una calefacción a prever de forma ventajosa, no
representada aquí, de tal modo que sólo es necesario expulsar vapor
de gasolina desde el hueco interior 15 del sensor electroquímico 1 a
través del gas bombeado constantemente mediante la celda de bombeo
electroquímica 3, por ejemplo oxígeno.
A continuación se describe con base en la figura
2 la producción del sensor electroquímico 1. El segundo cuerpo
electrolítico sólido 29 y el primer cuerpo electrolítico sólido 3 se
componen de materiales cerámicos, que se producen mediante
sinterizado de un cuerpo base 41 pre-cerámico
correspondiente.
El cuerpo base pre-cerámico se
produce mediante el apilado de cuerpos base
pre-cerámicos 41A a 41E planos individuales.
Durante el sinterizado estos cuerpos base 41A a 41E se transforman
en un cuerpo cerámico enterizo. Los cuerpos base 41B, 41D, 41E
presentan escotaduras 42A, 42B que, después del sinterizado,
representan la cámara de gas 17 o la cámara de gas de referencia
21. Los electrodos se aplican encima, por ejemplo imprimen encima,
mediante el recubrimiento de las superficies de los cuerpos base
individuales 41C a 41E. Este procedimiento es de conocimiento
general.
Después del apilado de los cuerpos base 41A a
41E y antes del sinterizado se practica el canal de admisión de gas
10, por ejemplo se taladra. También puede practicarse mediante otras
técnicas apropiadas, por ejemplo troquelado del cuerpo base o
tratamiento láser. A continuación se aplica sobre la superficie 8
vuelta hacia el gas de medición la capa de protección 23, que sirve
al mismo tiempo de cubierta 24 para la abertura de admisión de gas
11 del canal de admisión de gas 10. La capa de protección se aplica
en forma de una pasta 44 sinterizable en un procedimiento de
serigrafía. Esta pasta 44 se traslada a la capa de protección porosa
23 durante el sinterizado a continuación.
Con ello debe prestarse atención a que la pasta
44 no entre en el canal de admisión de gas 10, porque esto
modificaría las características de porosidad del sensor 2 y
limitaría su capacidad de funcionamiento. Por ello se aplica antes
de la estampación de la pasta una capa de cubierta en forma de una
lámina fina 43 mediante una tecnología de transferencia. Esto
quiere decir que la lámina 43 se encuentra sobre un soporte. El
soporte se coloca sobre la superficie 8. La lámina 43 se transfiere
mediante la acción de una fuerza del soporte a al superficie 8.
La lámina 43 cierra la abertura de admisión de
gas 11, de tal modo que la pasta 44 pueda estamparse sin problemas,
sin que llegue al canal de admisión de gas 10. Durante el
sinterizado combustiona la lámina 43 sin residuos formando una
cavidad, o forma una membrana de protección porosa 34 fina
adicional, a través de la cual puede difundirse el gas de medición
13 sin impedimentos al canal de admisión de gas 10. Esto se ha
representado en la figura 1.
Claims (5)
1. Procedimiento para producir un sensor
electroquímico (1) con una celda de bombeo electroquímica (3) que
contiene dos electrodos, que presenta una cámara de gas (17) que
está unida a un gas de medición (13) a través de una abertura de
admisión de gas (11), en donde para unir la cámara de gas (17) de la
celda de bombeo electroquímica (3) al gas de medición (13) se
practica una abertura de admisión de gas (11), caracterizado
porque la abertura de admisión de gas (11) se cierra con una capa
de cubierta (43) y a continuación se aplica una cubierta porosa
(24) sobre esta capa de cubierta (43), en donde para la capa de
cubierta (43) se utiliza un material que combustiona sin residuos o
un material que forma poros mediante tratamiento térmico, y en donde
la capa de cubierta (43) se aplica en forma de una lámina mediante
tecnología de transferencia y la capa de cubierta (43) se somete,
después de aplicarse la cubierta porosa (24) a un tratamiento
térmico, con preferencia a un sinterizado.
2. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque para la capa de cubierta (34, 43) se
utilizan hollín, grafito, cera o metilxantina, con preferencia
teobromina, teofilina o cafeína.
3. Procedimiento según una de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la cubierta
porosa (24) se aplica en forma de una pasta (44) mediante
serigrafía.
4. Procedimiento según una de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque se practica
un canal de admisión de admisión de gas (10), que se configura al
menos parcialmente como cavidad (25).
5. Procedimiento según una de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la cubierta
porosa (24) se aplica como parte de una capa de protección (23)
porosa, que cubre la superficie (8) del elemento electroquímico
vuelta hacia el gas de medición (13).
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